6111铝合金的铸态组织及均匀化工艺研究

冉凡青，白永芳，尹竹松，魏建国，高紫阳

（天津忠旺铝业有限公司，天津 301700）

0 前言

在世界工业发展要求节能、环保的迫切形势下，一些发达国家制定了汽车燃油经济性法规和越来越严格的废气排放法规。因此，减轻汽车自重以降低能耗、减少污染、提高效率成为各大汽车企业提高竞争力的重要措施。铝合金及其加工材料，由于密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀及良好的加工性能等一系列优良特性，在汽车行业上获得广泛应用，从而成为制造汽车的重要材料[1-3]。

常用于车身板的铝合金主要为2×××系、5×××系和6×××系铝合金。其中6×××系铝合金由于成型性好、烤漆强度高、耐腐蚀、冲压后无吕德斯带等优点，在汽车工业中应用越来越广泛。由于较薄的汽车外车身更注重强度，因此外车身主要用6111 合金[4-5]。6111 合金铸锭中通常含有大量非平衡凝固相，需要进行铸锭均匀化处理将其消除。有学者对6111均匀化工艺进行过探索[1]，但优选的均匀化温度较低，均匀化时间过长，不利于工业实际生产，因此本文在工业实际生产的基础上研究了6111 铝合金的铸态组织以及对经过不同均匀化条件下的显微组织进行分析，确定其合适的均匀化工艺。

1 实验材料及方法

本实验合金为某公司生产的6111 铸锭，铸锭规格为630 mm×1 500 mm×7 000 mm。其化学成分如表1 所示。将铸锭分切为15 mm×12 mm×10 mm 长方形试样，分别在热处理炉中进行不同制度的均匀化实验，均匀化热处理后试样取出空冷，之后进行机械研磨、抛光，采用Zeiss Axio Vert.AI MAT 金相显微镜下观察显微组织，采用蔡司扫描电镜对析出相进行分析，采用SMP10数显电导率仪对试样进行电导率测量，采用STA449F3 同步热分析仪对样品进行DSC分析。

表1 6111扫描形貌中各点能谱分析（质量分数/%）

表1 6111合金化学成分（质量分数/%）

本次实验选用均匀化工艺为：560 ℃× （4 h、8 h、12 h、16 h）。

2 试验结果与分析

2.1 铸态组织分析

图1 为6111 铝合金铸态组织的金相与扫描形貌。金相图可以发现，在晶界存在粗大的网状枝晶。扫描形貌则可以看出，晶界处存在规则或不规则的块状相（见图1（b）中箭头A、E），长条状（见图1（b）中箭头B 、C、 D）及鱼骨状枝晶。由表1 的能谱分析结果可知，块状相主要含Al、Si、Cu 元素和含量较少的Fe 元素，长条状相中主要含Al、Si、Cu、Mn、Fe元素。

图1 6111合金铸态组织

2.2 均匀化组织分析

图2为6111铝合金铸锭经均匀化热处理不同时间后的析出物金相照片。与铸态相比，晶界处仍存在粗大的枝状晶，但随均匀化热处理时间的延长，析出物连续性不明显、数量较少；当均匀化时间超过12 h后，析出相减少的趋势变得不再明显。将图2 通过图像处理软件对析出相面积分数进行了计算，得到如下结果：560 ℃/4 h时为1.38%，560 ℃/8 h 时为1.19%，560 ℃/12 h 时为0.98%，560 ℃/16 h时为0.97%，将数据绘制成曲线图如图3所示，从图3可以直观的发现，面积分数的结果与直观金相表现出的形貌一致，均匀化时间超过12 h后析出相几乎不再减少。图4为6111合金铸锭经560 ℃均匀化热处理不同时间后的扫描照片，由图4 和表2 的能谱分析可以看出铸锭均匀化后结晶相的类型与铸态类似，主要含Al、Si、Cu、Mn、Fe 元素，随均匀化热处理时间的延长，晶界上呈圆点状的相越来越多，晶界内也逐渐增多弥散析出的第二相，主要含有Al、Cu、Mn和少量Fe元素。

图2 6111铝合金经560 ℃均匀化处理不同时间后的金相照片

图3 不同均匀化制度下析出相的面积分数

图4 6111铝合金经560 ℃均匀化处理不同时间后的扫描照片

表2 图4中各点能谱分析（质量分数/%）

2.3 电导率测试与分析

将铸锭样品和不同均匀化之后的样品分别进行电导率测量，所得结果如图5所示。由图发现电导率在均匀化初期上升较快，到12 h后趋于稳定。上文铸锭金相分析中已知6111 合金中存在大量含Al、Si、Cu 元素的块状相和含Al、Si、Cu、Mn、Fe 元素的长条相，合金的物相结构为非平衡的过饱和固溶体和枝晶间粗大的平衡第二相。根据Mathiessen 理论[6]，合金的电导率是受纯铝基体电导率、添加合金元素Mg、Si、Cu 等形成固溶体引起的电导率变化、过饱和固溶体分解析出引起的电导率变化以及合金中空位、位错、晶界变化引起的电导率变化等几个因素的综合影响。在均匀化的过程中，铸造应力引起的晶格畸变逐渐消失，晶内偏析逐渐消除，晶界上的非平衡共晶相逐渐溶入基体中，基体点阵的晶格畸变逐渐减小，即减小了基体点阵中电子散射源的密度。因此，对合金在进行均匀化处理的初期，电导率存在明显上升的趋势，随着均匀化时间延长，合金中铸造应力逐渐消失，合金元素的浓度差逐渐变小，基体中空位的浓度也逐渐减小并趋向平衡，从而导电率趋于稳定。

图5 不同均匀化制度下电导率的变化

2.4 DSC分析

图6为6111合金铸锭及其经560 ℃不同时间均匀化热处理后的分析曲线。由图可知，6111 合金铸态样品在262 ℃左右存在一个较大的放热峰，即表征析出物在该温度附近产生。在575 ℃左右首次出现一个较大的吸热峰，说明该合金铸态组织中存在较多熔点在此温度附近的低熔点不平衡相。为避免铸锭过烧，均匀化热处理温度不得超过575 ℃。

图6 6111合金铸锭及其均匀化热处理不同时间后的DSC分析

6111铝合金铸锭经560 ℃均匀化热处理不同时间后，其DSC 分析曲线上对应的吸热峰逐渐减小，当均匀化时间延长至12 h 后，峰值几乎不再变化。因此，结合合金显微形貌及DSC 分析，6111 合金的最优均匀化工艺为560 ℃×12 h。

3 结论

（1）铸态6111合金晶界处存在规则或不规则的含Al、Si、Cu 元素的块状相和含Fe、Mn 元素的长条相以及大量鱼骨状枝晶组织。

（2）结合显微组织与DSC 分析，并结合实际工业生产，最终优化出的6111 合金最优均匀化工艺为560 ℃×12 h。